JP2006244950A - Electrode for fuel cell and fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode for fuel cell having a high degree of mass transfer, diffusivity, and conductivity, and superior in stability of output with the passage of time. <P>SOLUTION: This is an electrode for fuel cell containing a calcined object which is obtained by calcining at a temperature of 800°C or more in an inert atmosphere a mixture of a polymer producing a hardly graphitized carbon and an easily graphitized carbon. The mixture is prepared by mixing the easily graphitized carbon 1 mass% or more and less than 90 mass% against the polymer producing hardly graphitized carbon. The mixture is made by molding and is molded in fiber shape. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池用電極及び燃料電池に関する。   The present invention relates to an electrode for a fuel cell and a fuel cell.

近年、携帯用電子機器及び無線通信機器の急激な普及に伴って、携帯用電源供給装置や無公害自動車用エネルギ−源として燃料電池が注目され、その開発に力が注がれている。燃料電池は、電極であるアノード極およびカソード極と、これらの間に設けられた電解質等から構成され、燃料として水素ガス又はメタノ−ル等を用い、酸化剤として酸素ガス又は空気を用い、これらを電気化学的に反応させて生ずるエネルギ−を直接電気エネルギ−に変換させる発電システムである。これには、500〜700℃の高温で作動する溶融炭酸塩電解質型燃料電池、200℃付近で作動する燐酸電解質型燃料電池、常温から100℃以下で作動するアルカリ電解質型燃料電池及び高分子電解質型燃料電池等が含まれる。   In recent years, with the rapid spread of portable electronic devices and wireless communication devices, fuel cells have attracted attention as portable power supply devices and energy sources for pollution-free automobiles, and their development has been focused on. A fuel cell is composed of an anode and a cathode as electrodes, an electrolyte provided between them, hydrogen gas or methanol as fuel, oxygen gas or air as oxidant, etc. This is a power generation system that directly converts the energy generated by electrochemical reaction of the gas to electrical energy. These include a molten carbonate electrolyte fuel cell that operates at a high temperature of 500 to 700 ° C., a phosphoric acid electrolyte fuel cell that operates near 200 ° C., an alkaline electrolyte fuel cell that operates from room temperature to 100 ° C. and a polymer electrolyte. Type fuel cells and the like.

このような燃料電池は、電解質膜にプロトン伝導性膜を用い、この電解質膜を介して、拡散層と触媒層を有するカソード極とアノード極を接合し、アノード側には燃料を供給するための流路溝を有するアノード極側セパレータ層が設けられ、カソード側には酸化剤を供給するための流路溝を有するカソード極側セパレータ層が設けられた構造を取っている。   In such a fuel cell, a proton conductive membrane is used as an electrolyte membrane, and a cathode electrode and an anode electrode having a diffusion layer and a catalyst layer are joined via the electrolyte membrane, and fuel is supplied to the anode side. An anode electrode side separator layer having a channel groove is provided, and a cathode electrode side separator layer having a channel groove for supplying an oxidizing agent is provided on the cathode side.

アノード極とカソード極は、各々の反応物の供給及び拡散のための拡散層と反応物の酸化/還元反応が生じる触媒層とを有する電極である。   The anode electrode and the cathode electrode are electrodes each having a diffusion layer for supplying and diffusing each reactant and a catalyst layer in which an oxidation / reduction reaction of the reactant occurs.

セパレータ層は、燃料電池ユニットを積層したときに、互いに隣接するカソード極とアノード極とでそれぞれ生じる燃料や酸化剤の流れや化学反応を分離する機能を有する。また、発生した電気を流す導体となる。   The separator layer has a function of separating the fuel and oxidant flows and chemical reactions generated at the cathode and anode electrodes adjacent to each other when the fuel cell units are stacked. Moreover, it becomes a conductor through which the generated electricity flows.

上記した燃料電池は、作製された電極の構造によって、その電池特性が支配される。即ち、この電池のアノード極における酸化反応とカソード極における還元反応は、アノード極及びカソード極に含まれる触媒層と電解質膜の界面で進行するため、アノード極及びカソード極での反応物質及び生成物質の拡散・供給・排出性は、反応効率、出力の経時安定性の面で重要な因子である。したがって、アノード極、カソード極において、拡散層及び触媒層での物質移動、拡散性が高いことが必要である。   The above-described fuel cell has its cell characteristics governed by the structure of the manufactured electrode. That is, the oxidation reaction at the anode electrode and the reduction reaction at the cathode electrode of this battery proceed at the interface between the catalyst layer and the electrolyte membrane contained in the anode and cathode electrodes. The diffusion, supply, and discharge characteristics are important factors in terms of reaction efficiency and output stability over time. Therefore, it is necessary that the anode electrode and the cathode electrode have high mass transfer and diffusibility in the diffusion layer and the catalyst layer.

また、触媒層、拡散層の各層は電気を通す必要があることから、導電性を有する材料を原料として使用して形成される。燃料電池の電解質として使用されるリン酸や「ナフィオン」等の高分子化合物は腐食性を有するために、これらの各層に金属材料を使用するのは困難な場合が多く、炭素系材料が導電性材料として広く使用されている。   Moreover, since each layer of a catalyst layer and a diffusion layer needs to conduct electricity, it forms using the material which has electroconductivity as a raw material. Since polymer compounds such as phosphoric acid and “Nafion” used as fuel cell electrolytes are corrosive, it is often difficult to use metallic materials for each of these layers, and carbon-based materials are conductive. Widely used as a material.

このような背景下において、従来の燃料電池は、拡散層であるカーボンペーパーに触媒担持カーボン粒子を塗設した触媒層を設けたアノード極及びカソード極を電極として採用していた。(特許文献1参照)
例えば、触媒層においては白金触媒の担持性に優れて導電性も有するカーボンブラックが使用されることが多い。
Under such a background, the conventional fuel cell employs, as electrodes, an anode electrode and a cathode electrode provided with a catalyst layer in which catalyst-supporting carbon particles are coated on carbon paper as a diffusion layer. (See Patent Document 1)
For example, in the catalyst layer, carbon black having excellent platinum catalyst support and conductivity is often used.

また、燃料電池の電極用の炭素材料として、カーボンブラックを加熱して黒鉛化したグラファイト粉末を使用することが提案されている。特許文献1には、一次粒径が100nm以下で、X線格子面間隔C0が0.680nm未満(002面の面間隔が3.40Å未満)の炭素粉が記載されている。当該炭素粉は固体高分子型燃料電池の触媒担体として使用される。特許文献1には、原料として使用されるカーボンブラックがハイストラクチャーなものの方が、導電性付与の効果が大きいことが記載されている。ホウ素化合物とともに加熱することで黒鉛化を進行させやすいことも記載されており、黒鉛化のための熱処理炉としては、アチソン炉、高周波炉及び固体黒鉛発熱体を用いた炉などが例示されている。また、特許文献2には、カーボンブラックとホウ素化合物等からなる黒鉛化促進物質とを加熱して得られた黒鉛化カーボンブラックをリン酸型燃料電池の触媒担体に用いることが記載されている。これにより電解質に濡れにくく耐食性に優れた触媒担体を提供できることが記載されている。
国際公開第2001/092151号パンフレット 特開2000−273351号公報
Further, it has been proposed to use graphite powder obtained by graphitizing carbon black by heating as a carbon material for an electrode of a fuel cell. Patent Document 1 describes a carbon powder having a primary particle size of 100 nm or less and an X-ray lattice plane spacing C0 of less than 0.680 nm (a 002 plane spacing of less than 3.40 mm). The carbon powder is used as a catalyst carrier for a polymer electrolyte fuel cell. Patent Document 1 describes that the carbon black used as a raw material has a higher structure has a higher conductivity-imparting effect. It is also described that graphitization is likely to proceed by heating with a boron compound, and examples of the heat treatment furnace for graphitization include an Atchison furnace, a high-frequency furnace, and a furnace using a solid graphite heating element. . Patent Document 2 describes that graphitized carbon black obtained by heating carbon black and a graphitization promoting substance composed of a boron compound or the like is used as a catalyst carrier of a phosphoric acid fuel cell. It is described that a catalyst carrier that is not easily wetted by an electrolyte and has excellent corrosion resistance can be provided.
International Publication No. 2001/0921151 Pamphlet JP 2000-273351 A

上記特許文献1及び2に記載されているように、カーボンブラックを黒鉛化することによって、導電性が改善され、耐食性に優れたグラファイト粉末が提供される。しかしながら、特にカーボンペーパー上に触媒を担持したカーボン粒子を塗設した触媒層では、カーボン粒子同士の十分な接触を得ることは難しく、抵抗値が上昇する。   As described in Patent Documents 1 and 2, by graphitizing carbon black, a graphite powder with improved conductivity and excellent corrosion resistance is provided. However, particularly in a catalyst layer in which carbon particles carrying a catalyst on carbon paper are coated, it is difficult to obtain sufficient contact between the carbon particles, and the resistance value increases.

また、カーボンペーパーからなる拡散層及びカーボンペーパー上に触媒を担持したカーボン粒子を塗設した触媒層では、反応・生成物質の移動・拡散効率が低く、出力の経時安定性が得られなかった。   In addition, in the diffusion layer made of carbon paper and the catalyst layer in which carbon particles carrying the catalyst are coated on the carbon paper, the reaction / product transfer / diffusion efficiency is low, and the output stability over time cannot be obtained.

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、高度の物質移動性と拡散性及び導電性を有し、出力の経時安定性に優れる燃料電池用電極及び燃料電池を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a fuel cell electrode and a fuel cell having high mass mobility, diffusibility, and conductivity, and excellent output stability over time. There is to do.

上記の本発明の目的は以下の手段によって達成することが出来る。
(請求項1)
難黒鉛化炭素を生成する高分子と易黒鉛化炭素の混合物を不活性雰囲気下において800℃以上の温度で焼成することにより得られる焼成物を含有することを特徴とする燃料電池用電極。
(請求項2)
前記難黒鉛化炭素を生成する高分子が、窒素雰囲気下で800℃で焼成することにより20質量%以上90質量%未満の残渣を生成する高分子と、窒素雰囲気下で800℃で焼成することにより0質量%以上20質量%未満の残渣を生成する高分子との混合物であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用電極。
(請求項3)
前記混合物は、難黒鉛化炭素を生成する高分子に対して、易黒鉛化炭素を1質量%以上90質量%未満の割合で混合することにより得られた混合物であることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池用電極。
(請求項4)
前記混合物は成型されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の燃料電池用電極。
(請求項5)
前記混合物は、繊維形状に成型されていることを特徴とする請求項4に記載の燃料電池用電極。
(請求項6)
前記繊維形状は、繊維軸方向の長さAが1cm未満であり、かつ、繊維軸方向の長さAと繊維軸に垂直な方向の長さBとの比であるA/Bが2以上であることを特徴とする請求項5に記載の燃料電池用電極。
(請求項7)
前記焼成物は、焼成後の工程で賦活処理されていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の燃料電池用電極。
(請求項8)
アノード極及びカソード極の少なくとも一方が、請求項1乃至7のいずれか1項に記載の燃料電池用電極を用いたことを特徴とする燃料電池。
(請求項9)
前記燃料電池は、直接メタノール燃料電池であることを特徴とする請求項8に記載の燃料電池。
The above object of the present invention can be achieved by the following means.
(Claim 1)
An electrode for a fuel cell, comprising a fired product obtained by firing a mixture of a polymer that generates non-graphitizable carbon and a graphitizable carbon at a temperature of 800 ° C. or higher in an inert atmosphere.
(Claim 2)
The polymer generating the non-graphitizable carbon is baked at 800 ° C. in a nitrogen atmosphere with the polymer generating a residue of 20% by mass or more and less than 90% by mass by baking at 800 ° C. in a nitrogen atmosphere. 2. The fuel cell electrode according to claim 1, which is a mixture with a polymer that produces a residue of 0% by mass or more and less than 20% by mass.
(Claim 3)
The mixture is a mixture obtained by mixing graphitizable carbon at a ratio of 1% by mass to less than 90% by mass with respect to a polymer that generates non-graphitizable carbon. 3. The fuel cell electrode according to 1 or 2.
(Claim 4)
The fuel cell electrode according to any one of claims 1 to 3, wherein the mixture is molded.
(Claim 5)
The fuel cell electrode according to claim 4, wherein the mixture is molded into a fiber shape.
(Claim 6)
The fiber shape has a length A in the fiber axis direction of less than 1 cm, and A / B, which is a ratio of the length A in the fiber axis direction and the length B in the direction perpendicular to the fiber axis, is 2 or more. The electrode for a fuel cell according to claim 5, wherein the electrode is provided.
(Claim 7)
The electrode for a fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein the fired product is activated in a step after firing.
(Claim 8)
A fuel cell using the electrode for a fuel cell according to any one of claims 1 to 7 as at least one of an anode electrode and a cathode electrode.
(Claim 9)
The fuel cell according to claim 8, wherein the fuel cell is a direct methanol fuel cell.

本発明者らは、難黒鉛化炭素を生成する高分子と易黒鉛化炭素の混合物を不活性雰囲気下において800℃以上の温度で焼成することにより得られる焼成物を含有することを特徴とする燃料電池用電極を用いることで、焼成による高分子の炭素化と多孔質化により、焼成物自体に高い物質移動性と拡散性及び導電性を付与でき、また、易黒鉛化炭素の混合によりさらに導電性を高められることができるため、燃料電池の出力の経時安定性が向上すると考え、本発明に至った。   The present inventors include a fired product obtained by firing a mixture of a polymer that forms non-graphitizable carbon and graphitizable carbon at a temperature of 800 ° C. or higher in an inert atmosphere. By using a fuel cell electrode, high carbon mobility and porosity can be imparted to the calcined product itself by carbonization and porosity of the polymer by calcining, and further by mixing graphitizable carbon. Since the conductivity can be increased, it is considered that the temporal stability of the output of the fuel cell is improved, leading to the present invention.

本発明によれば、本発明に係る燃料電池用電極は、電極に含まれる焼成物が高い物質移動性と拡散性及び導電性を有するため、電極内での燃料及び酸化剤の反応物の拡散性が向上し、触媒と電解質膜との界面に燃料及び酸化剤が十分に供給され、また、電極反応により生成した水や二酸化炭素の反応生成物の拡散性が向上し、速やかに反応系外に排出されることにより、また、電極内での電子伝導性の向上により、十分な出力の経時安定性が得られる燃料電池を提供することが出来る。   According to the present invention, the electrode for a fuel cell according to the present invention has a high mass mobility, diffusibility, and conductivity because the fired product contained in the electrode diffuses the reactants of fuel and oxidant in the electrode. The fuel and oxidant are sufficiently supplied to the interface between the catalyst and the electrolyte membrane, and the diffusibility of the reaction product of water and carbon dioxide generated by the electrode reaction is improved, so that the reaction system can be quickly removed from the reaction system. In addition, it is possible to provide a fuel cell in which sufficient output stability over time can be obtained by improving the electron conductivity in the electrode.

以下、本発明の実施の形態を説明する。   Embodiments of the present invention will be described below.

まず、本発明に係る燃料電池の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図1は、本発明に係る燃料電池の単セルIの基本構成を示す概略図である。符号1は電解質膜、符号2はアノード極触媒層、符号3はカソード極触媒層、符号4はアノード極拡散層、符号5はカソード極拡散層、符号6はアノード極側セパレータ、符号7はカソード極側セパレータ、符号8は燃料流路、符号9は酸化剤流路を表す。   First, an embodiment of a fuel cell according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram showing a basic configuration of a single cell I of a fuel cell according to the present invention. Reference numeral 1 is an electrolyte membrane, reference numeral 2 is an anode electrode catalyst layer, reference numeral 3 is a cathode electrode catalyst layer, reference numeral 4 is an anode electrode diffusion layer, reference numeral 5 is a cathode electrode diffusion layer, reference numeral 6 is an anode electrode side separator, and reference numeral 7 is a cathode. The pole separator, reference numeral 8 represents a fuel flow path, and reference numeral 9 represents an oxidant flow path.

ここでは便宜上、拡散層4とその上に設けられたアノード極側触媒層2を含めてアノード極と称し、拡散層5とその上に設けられたカソード極側触媒層3を含めてカソード極と称する。   Here, for the sake of convenience, the diffusion layer 4 and the anode electrode side catalyst layer 2 provided thereon are referred to as an anode electrode, and the diffusion layer 5 and the cathode electrode side catalyst layer 3 provided thereon are referred to as a cathode electrode. Called.

図1に示すように電解質膜1をアノード極とカソード極とにより接合した接合体の外側に、アノード極側セパレータ6とカソード極側セパレータ7とを配置している。これらを接合することにより、単セルIを形成している。この単セルを複数個、場合によっては図示していない冷却板を介して積層することにより、燃料電池が構成される。   As shown in FIG. 1, an anode electrode side separator 6 and a cathode electrode side separator 7 are disposed outside a joined body in which the electrolyte membrane 1 is bonded by an anode electrode and a cathode electrode. By joining these, the single cell I is formed. A fuel cell is constructed by laminating a plurality of such single cells via a cooling plate (not shown).

本発明は、難黒鉛化炭素を生成する高分子と易黒鉛化炭素の混合物を不活性雰囲気下において800℃以上の温度で焼成することにより得られる焼成物を含有することを特徴とする燃料電池用電極を燃料電池のアノード極及びカソード極の少なくとも一方の電極に用いることに特徴がある。   The present invention relates to a fuel cell comprising a fired product obtained by firing a mixture of a polymer that produces non-graphitizable carbon and a graphitizable carbon at a temperature of 800 ° C. or higher in an inert atmosphere. It is characterized in that the electrode for use is used for at least one of the anode and cathode of the fuel cell.

本発明においては、アノード極、カソード極を構成する拡散層、触媒層の少なくとも1層に本発明の難黒鉛化炭素を生成する高分子と易黒鉛化炭素の混合物を不活性雰囲気下において800℃以上の温度で焼成することにより得られる焼成物を含有させることにより効果が得られる。   In the present invention, at least one of the anode layer, the diffusion layer constituting the cathode electrode, and the catalyst layer is a mixture of the polymer that forms the non-graphitizable carbon of the present invention and the graphitizable carbon at 800 ° C. in an inert atmosphere. An effect is acquired by including the baked material obtained by baking at the above temperature.

拡散層4、5は、アノード極側触媒層2及びカソード極側触媒層3への燃料及び酸化剤などの反応物の供給、反応により生成する水及び二酸化炭素などの反応生成物の排出、ならびに発生した電子を集電体であるセパレータへ受け渡す、または、受け取る機能を有する層である。この拡散層は、必ずしも必要ではないが、あれば、触媒層を支持する機能を担保することができ、また、より効果的に反応物質の供給と電子の授受を行うことが出来る。   The diffusion layers 4 and 5 supply the reactants such as fuel and oxidant to the anode electrode side catalyst layer 2 and the cathode electrode side catalyst layer 3, discharge of reaction products such as water and carbon dioxide generated by the reaction, and It is a layer having a function of delivering or receiving generated electrons to a separator as a current collector. Although this diffusion layer is not necessarily required, if it is present, the function of supporting the catalyst layer can be ensured, and the supply of reactants and the transfer of electrons can be performed more effectively.

まず、難黒鉛化炭素を生成する高分子と易黒鉛化炭素の混合物を、不活性雰囲気下において800℃以上の温度で焼成することにより得られる焼成物について説明する。   First, a fired product obtained by firing a mixture of a polymer that forms non-graphitizable carbon and easily graphitizable carbon at a temperature of 800 ° C. or higher in an inert atmosphere will be described.

通常、炭素質材料は、有機物を不活性雰囲気中でおよそ400〜3000℃の加熱により分解し、炭素化さらには黒鉛化を行うことにより得られる。炭素質材料の出発原料は、ほとんどの場合に有機物であり、炭素化工程である1500℃付近までの加熱により、ほとんど炭素原子のみが残り、3000℃近い高温までの加熱により黒鉛構造を発達させる。   Usually, the carbonaceous material is obtained by decomposing an organic substance by heating at about 400 to 3000 ° C. in an inert atmosphere, followed by carbonization and further graphitization. The starting material of the carbonaceous material is an organic substance in most cases, and almost all carbon atoms remain by heating to about 1500 ° C., which is a carbonization step, and a graphite structure is developed by heating to a high temperature close to 3000 ° C.

この有機物原料としては、液相ではピッチ、コ−ルタ−ルあるいはコ−クスとピッチの混合物などが用いられ、固相では木質原料、フラン高分子、セルロ−ス、ポリアクリロニトリル、レ−ヨンなどが用いられる。また、気相では、メタン、プロパンなどの炭化水素ガスが用いられる。炭素質材料は大別すると、石油ピッチなどを出発原料とし、一般的には2000℃以上の高温で焼成し、発達したグラファイト構造を有する、いわゆる易黒鉛化炭素材料と、フェノール高分子やフラン高分子を始めとする熱硬化性高分子を出発原料として、2000℃以下の比較的低温で焼成し、乱層構造を有する、いわゆる難黒鉛化炭素材料とがある。   As the organic material, pitch, coal tar, or a mixture of coke and pitch is used in the liquid phase, and wood material, furan polymer, cellulose, polyacrylonitrile, rayon, etc. in the solid phase. Is used. In the gas phase, a hydrocarbon gas such as methane or propane is used. Carbonaceous materials can be broadly divided into so-called graphitizable carbon materials that have a developed graphite structure, starting with petroleum pitch or the like, generally fired at a high temperature of 2000 ° C. or higher, phenolic polymers, There is a so-called non-graphitizable carbon material having a turbulent layer structure that is fired at a relatively low temperature of 2000 ° C. or less using a thermosetting polymer such as a molecule as a starting material.

また、空気を遮断し有機材料を400℃以上で蒸し焼きにすると炭素を生成するが、このとき有機材料の種類により生成する炭素の量が異なる。   In addition, when air is shut off and the organic material is steamed at 400 ° C. or higher, carbon is generated. At this time, the amount of carbon generated varies depending on the type of the organic material.

本発明で用いる難黒鉛化炭素を生成する高分子とは、有機材料の中でも窒素雰囲気下800℃で焼成したときに、(焼成後の炭素の質量×100)/(焼成前の高分子の質量)が2質量%以上の炭素を生成できる高分子を意味し、好ましくは10質量%以上、さらに好ましくは20質量%以上が、また40質量%以上の炭素を生成する高分子であれば最も好適である。   The polymer that forms non-graphitizable carbon used in the present invention is (mass of carbon after firing × 100) / (mass of polymer before firing) when fired at 800 ° C. in a nitrogen atmosphere among organic materials. ) Means a polymer capable of generating 2% by mass or more of carbon, preferably 10% by mass or more, more preferably 20% by mass or more, and most preferably a polymer capable of generating 40% by mass or more of carbon. It is.

高分子の残渣量は、窒素雰囲気下における熱質量分析法(以下TGA)で測定する。昇温速度10℃/分で900℃まで測定し、800℃における残渣量を読み取る。また試料は一度空気中100℃で60分加熱処理を行ったものを用いる。   The amount of polymer residue is measured by thermal mass spectrometry (hereinafter referred to as TGA) in a nitrogen atmosphere. Measure to 900 ° C. at a heating rate of 10 ° C./min, and read the amount of residue at 800 ° C. A sample once heat-treated in air at 100 ° C. for 60 minutes is used.

耐熱性の高い高分子でも800℃で焼成を行うと数%以上の質量減少を生じるが、この焼成条件で質量減少が小さい高分子は一般に加工適性に劣るので好ましくなく、(焼成による質量減少分×100)/(焼成前の高分子の質量)が20質量%以上となる質量減少を生じる高分子が適する。このような高分子としては、先に例示したような熱硬化性高分子があげられる。   Even when a polymer having high heat resistance is baked at 800 ° C., a mass loss of several percent or more is caused. However, a polymer having a small mass loss under these baking conditions is generally not preferable because it is inferior in processability, X100) / (Mass of polymer before firing) is suitable for a polymer that causes a mass decrease to be 20% by mass or more. An example of such a polymer is a thermosetting polymer as exemplified above.

例えば、窒素雰囲気下800℃で焼成したときに、(焼成物の質量×100)/(焼成前の高分子の質量)が20質量%以上90質量%未満となるように残渣を生成する高分子Aと、窒素雰囲気下800℃で焼成したときに、(焼成物の質量×100)/(焼成前の高分子の質量)が0質量%以上20質量%未満となるように残渣を生成する高分子Bをブレンドした材料が好ましい。高分子Bをブレンドすることにより、焼成物の多孔性が高まるので、焼成物自体により高い物質移動性と拡散性を付与することができる。   For example, when firing at 800 ° C. in a nitrogen atmosphere, a polymer that generates a residue such that (mass of fired product × 100) / (mass of polymer before firing) is 20% by mass or more and less than 90% by mass. When A is baked at 800 ° C. in a nitrogen atmosphere, a residue is formed so that (mass of baked product × 100) / (mass of polymer before baking) is 0% by mass or more and less than 20% by mass. Materials blended with molecules B are preferred. By blending the polymer B, the porosity of the fired product is increased, so that high mass mobility and diffusibility can be imparted to the fired product itself.

高分子Aとしては、未硬化ノボラック樹脂が好ましく、高分子Bとしては、ポリビニルブチラールが好ましい。   The polymer A is preferably an uncured novolak resin, and the polymer B is preferably polyvinyl butyral.

本発明に用いられる未硬化ノボラック樹脂とは例えばフェノールの他にアルキルフェノール類や他の置換フェノール類、多価フェノール類とホルムアルデヒド、パラホルムアルデヒド等のアルデヒド類を原料とし、一般に知られている常法により酸性触媒下において反応せしめて得られるものである。本発明に用いられるポリビニルブチラールは、ポリビニルアルコールとブチルアルデヒドを酸性触媒下で反応して得られるポリマーでブチラール樹脂ともよばれ、工業製品は酢酸ビニール、ビニルアルコール、ビニルブチラールの共重合体であり、各種の重合度、ブチル化度のものが使用できる。未硬化ノボラック樹脂にポリビニルブチラールを加える方法としては、例えば未硬化ノボラック樹脂の製造工程において反応終了時点、即ち、樹脂温度が高く、まだ溶融状態である時点でポリビニルブチラールを混合することができる。また、未硬化ノボラック樹脂とポリビニルブチラールを加熱し、溶融混合させることもできる。   The uncured novolac resin used in the present invention is, for example, alkylphenols and other substituted phenols in addition to phenol, polyhydric phenols and aldehydes such as formaldehyde and paraformaldehyde as raw materials, and a generally known conventional method. It is obtained by reacting under an acidic catalyst. Polyvinyl butyral used in the present invention is a polymer obtained by reacting polyvinyl alcohol and butyraldehyde in the presence of an acidic catalyst, also called a butyral resin. Industrial products are copolymers of vinyl acetate, vinyl alcohol, and vinyl butyral. The degree of polymerization and the degree of butylation can be used. As a method for adding polyvinyl butyral to uncured novolak resin, for example, polyvinyl butyral can be mixed at the end of the reaction in the production process of uncured novolak resin, that is, when the resin temperature is high and still in a molten state. Moreover, uncured novolak resin and polyvinyl butyral can be heated and melt-mixed.

このときの高分子Bの混合割合であるが、高分子Bを90質量%以上添加すると炭素化過程で易黒鉛化炭素材料の凝集が生じるので好ましくなく、好ましくは(高分子Bの質量×100)/(高分子Aの質量+高分子Bの質量)が、0質量%以上90質量%未満、さらに好ましくは0質量%以上60質量%未満、最も好ましいのは0質量%以上50質量%未満である。   Although it is the mixing ratio of polymer B at this time, addition of 90% by mass or more of polymer B is not preferable because aggregation of the graphitizable carbon material occurs in the carbonization process, preferably (mass of polymer B × 100 ) / (Mass of polymer A + mass of polymer B) is 0% by mass to less than 90% by mass, more preferably 0% by mass to less than 60% by mass, and most preferably 0% by mass to less than 50% by mass. It is.

炭化物の導電性をより高められるという点で、樹脂中に易黒鉛化炭素粉末を混合することが好ましい。また、延伸しながら炭化を進める方法も好ましい。ただし、炭化する際の焼成温度については、800℃以上が好ましくさらに好ましくは1200℃以上である。   It is preferable to mix graphitizable carbon powder in the resin in that the conductivity of the carbide can be further increased. Moreover, the method of advancing carbonization while extending | stretching is also preferable. However, the firing temperature for carbonization is preferably 800 ° C. or higher, more preferably 1200 ° C. or higher.

難黒鉛化炭素を生成する高分子に混合する易黒鉛化炭素であるが、高温度で熱処理すると容易にグラファイト構造を発達させる易黒鉛化炭素材料であれば何でも良く特に制限しない。しかし、高分子に混合する作業性から、その大きさは制限を受ける。易黒鉛化炭素材料が、繊維状の形態もしくは異方性粒子であれば、長い寸法で大きさが定義され、等方性粒子であれば近似される球体の直径でその大きさが定義される。易黒鉛化炭素材料の大きさはそれらの平均値で代表され、本発明では、その平均値が3cm以上であると高分子とともに混練りする時に作業性が悪いので3cm未満が好ましく、さらに好ましくは1cm未満である。1mm未満であれば高分子への分散が短時間でできるので好適である。しかし1nm未満になると二次粒子の凝集力が著しく大きくなるので好ましくは1nm以上の大きさが好ましい。   Any graphitizable carbon material can be used as long as it is a graphitizable carbon material that easily develops a graphite structure when heat-treated at a high temperature. However, the size is limited by the workability of mixing with the polymer. If the graphitizable carbon material is in a fibrous form or anisotropic particles, the size is defined by a long dimension, and if it is an isotropic particle, the size is defined by the approximate sphere diameter. . The size of the graphitizable carbon material is represented by an average value thereof. In the present invention, when the average value is 3 cm or more, workability is poor when kneaded with a polymer, and therefore, the size is preferably less than 3 cm, more preferably Less than 1 cm. If it is less than 1 mm, it can be dispersed in a polymer in a short time, which is preferable. However, when the thickness is less than 1 nm, the cohesive force of the secondary particles is remarkably increased, so that a size of 1 nm or more is preferable.

易黒鉛化炭素材料の高分子への添加量である(易黒鉛化炭素の質量×100)/(高分子の質量)については、焼成物の導電性をより高める観点から1質量%以上が好ましく、加工性の観点から90質量%未満が好ましい。さらに好ましくは、5質量%以上60質量%がである。   The amount of the graphitizable carbon material added to the polymer (mass of graphitizable carbon × 100) / (mass of polymer) is preferably 1% by mass or more from the viewpoint of further improving the conductivity of the fired product. From the viewpoint of workability, it is preferably less than 90% by mass. More preferably, it is 5 mass% or more and 60 mass%.

また易黒鉛化炭素材料としては、ケッチェンブラックやカーボンナノチューブが、高分子への少量の添加で導電性を高められる点で好ましい。これらの材料であれば、添加量を5質量%以上40質量%未満とすることができる。   Further, as the graphitizable carbon material, ketjen black or carbon nanotube is preferable in that the conductivity can be improved by adding a small amount to the polymer. With these materials, the addition amount can be 5 mass% or more and less than 40 mass%.

易黒鉛化炭素材料を難黒鉛化炭素を生成する高分子へ混合後、そのまま焼成を行ってもよいが、焼成前に繊維状や球状、平板状、フィルム状など様々な形態に成型後、焼成を行うのが好ましい。   The graphitizable carbon material may be mixed with the polymer that generates the non-graphitizable carbon and then baked as it is, but before being baked, it is molded into various forms such as fiber, sphere, flat plate, and film and then baked Is preferably performed.

特に、焼成前に、例えば平板状やフィルム状に成型することにより、焼成物に高い導電性を付与することができ、また、焼成物自体が多孔質で、高い物質移動性と拡散性を有しているので、成型物を燃料電池の電極に含有させた場合に、燃料電池の出力の経時安定性がさらに向上する。   In particular, prior to firing, for example, by molding into a flat plate or film shape, the fired product can be given high conductivity, and the fired product itself is porous and has high mass mobility and diffusibility. Therefore, when the molded product is contained in the electrode of the fuel cell, the stability with time of the output of the fuel cell is further improved.

また、繊維形状に成型することにより、容易に繊維形状の焼成物が得られる。電解質膜に接する電極の面の1辺と同等の長さ、例えば、長さが数cm以上の長繊維であれば、クロス状にしてそのまま電極に用いることができる。また、電解質膜に接する電極の面の1辺と同等の長さに満たない短繊維であれば電解質膜または拡散層に塗設することにより電極として用いることができる。いずれも、焼成物自体が多孔質で、高い物質移動性と拡散性を有しており、また、繊維状にすることで、繊維同士の接触面積の増加により電子伝導性が向上するので、繊維状の焼成物を燃料電池の電極に含有させた場合に、燃料電池の出力の経時安定性がさらに向上する。   Moreover, a fiber-shaped fired product can be easily obtained by molding into a fiber shape. A long fiber having a length equivalent to one side of the surface of the electrode in contact with the electrolyte membrane, for example, a length of several centimeters or more, can be used in the form of a cloth as it is. In addition, if the short fiber is less than the same length as one side of the surface of the electrode in contact with the electrolyte membrane, it can be used as an electrode by coating it on the electrolyte membrane or the diffusion layer. In both cases, the fired product itself is porous, has high mass mobility and diffusibility, and by making it fibrous, the electron conductivity is improved by increasing the contact area between the fibers. When the baked product is contained in the electrode of the fuel cell, the stability with time of the output of the fuel cell is further improved.

また、短繊維の場合、繊維形状を、繊維軸方向の長さAが1cm未満であり、かつ、繊維軸方向の長さAと繊維軸に垂直な方向の長さBとの比であるA/Bが2以上とするとさらに好ましい。   In the case of short fibers, the fiber shape has a length A in the fiber axis direction of less than 1 cm, and A is a ratio between the length A in the fiber axis direction and the length B in the direction perpendicular to the fiber axis. More preferably, / B is 2 or more.

また、焼成後に粉砕、分級などのプロセスを行なっても良い。本発明で重要なのは、焼成温度であり、公知のように400℃以上でも炭素材料は得られるが、本発明の目的を達成するためには、不活性雰囲気下800℃以上の温度で焼成を行うことが必要である。3000℃以上の温度でも好ましい結果が得られるがあまり高温度であると経済性がよくないので、上限は3000℃までがこのましい。1000℃以上であれば材料の均一性も向上し好ましい結果が得られる。さらに好ましい焼成温度は1200℃以上2000℃未満である。この焼成温度までの昇温速度および焼成温度の保持時間は処理する炭素材料の形状や組成で異なるので特に制限をしないが、昇温速度は1℃/分以上50℃/分未満が、保持時間は1分以上24時間未満が好ましい。   Moreover, you may perform processes, such as a grinding | pulverization and a classification, after baking. What is important in the present invention is the firing temperature. As is well known, a carbon material can be obtained even at 400 ° C. or higher. However, in order to achieve the object of the present invention, firing is performed at a temperature of 800 ° C. or higher in an inert atmosphere. It is necessary. Although preferable results can be obtained even at a temperature of 3000 ° C. or higher, if the temperature is too high, the economy is not good, so the upper limit is preferably up to 3000 ° C. If it is 1000 degreeC or more, the uniformity of a material will also improve and a favorable result will be obtained. A more preferable firing temperature is 1200 ° C. or more and less than 2000 ° C. The heating rate up to the firing temperature and the holding time of the firing temperature are not particularly limited because they differ depending on the shape and composition of the carbon material to be treated, but the heating rate is 1 ° C./min or more and less than 50 ° C./min. Is preferably 1 minute or more and less than 24 hours.

また、焼成後の焼成物あるいはその粉砕物を、例えば板状に成型することにより、さらに高い導電性を達成することができ、また、焼成物自体が多孔質で、高い物質移動性と拡散性を有しているので、成型物を燃料電池の電極に含有させた場合に、燃料電池の出力の経時安定性がさらに向上する。   Further, by molding the fired fired product or its pulverized product into a plate shape, for example, higher conductivity can be achieved, and the fired product itself is porous, and has high mass mobility and diffusibility. Therefore, when the molded product is contained in the electrode of the fuel cell, the stability with time of the output of the fuel cell is further improved.

本発明においては、焼成物を、例えば窒素をキャリアとした水蒸気で1時間程度の賦活処理をすることが好ましい。賦活処理により、焼成物の多孔性を高めたり、安定性を高めることができる。   In the present invention, the fired product is preferably subjected to an activation treatment for about 1 hour with, for example, water vapor using nitrogen as a carrier. By the activation treatment, the porosity of the fired product can be increased or the stability can be increased.

また、本発明における電極は、前述の焼成物を含有していればよく、本発明においては、アノード極、カソード極を構成する拡散層、触媒層の少なくとも1層に本発明の焼成物を含有させることにより効果が得られる。   Moreover, the electrode in the present invention only needs to contain the above-mentioned calcined product. In the present invention, the calcined product of the present invention is contained in at least one of the anode electrode, the diffusion layer constituting the cathode electrode, and the catalyst layer. An effect is acquired by making it.

拡散層に本発明の焼成物を用いる場合には、板状に成型した後焼成したもの、あるいは焼成物粒子を板状に成型したもの、あるいは、長繊維状に成型して、クロスにした後、焼成したものを用いることがこのましい。   When the fired product of the present invention is used for the diffusion layer, after being formed into a plate shape and fired, or after being fired particles formed into a plate shape, or after being formed into a long fiber shape and made into a cloth It is preferable to use a fired product.

拡散層となる本発明の焼成物に、白金触媒を担持したカーボン粒子を塗布し、熱処理して触媒層を形成して電極とするか、あるいは、触媒層のペーストを電解質膜へ塗布した後、拡散層となる本発明の焼成物とホットプレスして一体化する方法などがある。   The fired product of the present invention to be the diffusion layer is coated with carbon particles carrying a platinum catalyst and heat-treated to form a catalyst layer as an electrode, or after applying the catalyst layer paste to the electrolyte membrane, There is a method of hot-pressing and integrating with the fired product of the present invention to be a diffusion layer.

カーボン粒子としては、活性炭、カーボンブラック、グラファイト及びそれらの混合物を好ましく採用することができる。   As the carbon particles, activated carbon, carbon black, graphite and a mixture thereof can be preferably used.

例えばカーボンブラックとしては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等が挙げられ、Denka BLACK(電気化学工業社製)、Valcan XC−72(キャボット社製)、Black Pearl 2000(同前)、Ketjen Black EC300J(ケェチェンブラック・インターナショナル社製)等市販のものを採用することができる。   Examples of carbon black include acetylene black, ketjen black, furnace black, lamp black, and thermal black. Denka BLACK (manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.), Valcan XC-72 (manufactured by Cabot Corporation), Black Pearl 2000 ( The same as before), commercially available products such as Ketjen Black EC300J (manufactured by Ketjenblack International Co., Ltd.) can be used.

担持する貴金属触媒としては、白金、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、イリジウム、金、銀、鉄、コバルト、ニッケル、クロム、タングステン、マガジン、バナジウム、ランタン、ジルコニウム、チタン、マグネシウム又はこれらの多元合金を用いることができ、白金及び白金ルテニウム合金から選ばれる少なくとも1つであることが好ましい。金属触媒径としては、10nm以下が好ましく、5nm以下がより好ましい。   As the noble metal catalyst to be supported, platinum, ruthenium, rhodium, palladium, iridium, gold, silver, iron, cobalt, nickel, chromium, tungsten, magazine, vanadium, lanthanum, zirconium, titanium, magnesium or a multicomponent alloy thereof should be used. Preferably, it is at least one selected from platinum and platinum ruthenium alloys. The metal catalyst diameter is preferably 10 nm or less, and more preferably 5 nm or less.

貴金属触媒をカーボン粒子に担持させるには、カーボン粒子分散液に白金塩やルテニウム塩を加え、ヒドラジン等を用いて還元し、濾過、乾燥することで得られる。又、更に熱処理を行っても良い。   In order to carry the noble metal catalyst on the carbon particles, a platinum salt or a ruthenium salt is added to the carbon particle dispersion, reduced using hydrazine or the like, filtered and dried. Further, heat treatment may be performed.

次に、触媒層に本発明の焼成物を用いる場合について説明する。   Next, the case where the fired product of the present invention is used for the catalyst layer will be described.

貴金属触媒を本発明の焼成物に担持させるには、焼成物が例えば板状の成型物や繊維を織り込んだクロスである場合は、酸化処理した活性炭素板やクロスを、相対電極を備えた電解槽に位置させる。次いで、約1体積%の0.1MのHCl及び約0.5体積%のエタノールが添加された0.02MのH2PtCl6溶液からなる白金電解析出溶液を前記板またはクロスの平面と接触するように前記電解槽に導入する。次いで、基準電極(SCE)対比−0.5乃至0.0Vの電位領域で四角パルス電位を前記電解析出溶液に印加して0.1乃至10C/cm2の総電荷を流すことにより、前記板またはクロスに白金触媒を析出させる。次いで、前記板またはクロスを純粋な水で充分洗浄した後、熱処理すればよい。 In order to support the noble metal catalyst on the fired product of the present invention, when the fired product is, for example, a plate-like molded product or a cloth woven with fibers, an oxidized activated carbon plate or a cloth is electrolyzed with a relative electrode. Place in the bath. Next, a platinum electrodeposition solution consisting of a 0.02M H 2 PtCl 6 solution to which about 1% by volume of 0.1M HCl and about 0.5% by volume of ethanol are added is brought into contact with the plane of the plate or cloth. Introducing into the electrolytic cell. Next, by applying a square pulse potential to the electrolytic deposition solution in a potential region of -0.5 to 0.0 V relative to the reference electrode (SCE), a total charge of 0.1 to 10 C / cm 2 is allowed to flow. Deposit platinum catalyst on the plate or cloth. Next, the plate or cloth is sufficiently washed with pure water and then heat-treated.

焼成した焼成物の空孔部の全体あるいは電解質膜に接する近傍に触媒を担持させればよい。   The catalyst may be supported on the entire pores of the fired fired product or in the vicinity of the electrolyte membrane.

また、焼成物が粒子状であれば、粒子状の焼成物分散液に白金塩やルテニウム塩を加え、ヒドラジン等を用いて還元し、濾過、乾燥することで得られる。又、更に熱処理を行っても良い。例えば、触媒を担持させた粒子状の焼成物を、拡散層となるカーボンペーパーや前述の板状またはクロス状の焼成物に塗布し、熱処理して触媒層を形成することにより電極を形成できる。この他、触媒層のペーストを電解質膜へ塗布する方法等が有る。   Further, if the fired product is in a particulate form, it can be obtained by adding platinum salt or ruthenium salt to the particulate fired product dispersion, reducing with hydrazine or the like, filtering and drying. Further, heat treatment may be performed. For example, the electrode can be formed by applying a particulate fired product carrying a catalyst to carbon paper serving as a diffusion layer or the aforementioned plate-like or cloth-like fired product, followed by heat treatment to form the catalyst layer. In addition, there is a method of applying a catalyst layer paste to an electrolyte membrane.

本発明の燃料電池に採用できる燃料としては、水素ガス、メタノール、エタノール、1−プロパノール、ジメチルエーテル、アンモニア等が挙げられるが、メタノールが好ましい。   Examples of the fuel that can be used in the fuel cell of the present invention include hydrogen gas, methanol, ethanol, 1-propanol, dimethyl ether, ammonia, and the like, and methanol is preferable.

直接メタノール燃料電池は、燃料としてのメタノール水溶液を改質して水素ガスを取り出すこと無く、液体のまま直接供給することによって発電できるという特徴を有するため、燃料をガス化又は改質して供給する従来からの固体高分子型燃料電池と比べて、発電システムとしての構造をシンプルにでき、小型化、軽量化が容易で、分散型電源、ポータブル電源としての用途が注目されている。   The direct methanol fuel cell has a feature that it can generate electric power by directly supplying a liquid as it is without taking out hydrogen gas by reforming an aqueous methanol solution as a fuel. Therefore, the fuel is gasified or reformed and supplied. Compared to conventional polymer electrolyte fuel cells, the structure as a power generation system can be simplified, and the size and weight can be easily reduced, and the use as a distributed power source and a portable power source has attracted attention.

この様な直接メタノール燃料電池は、例えば、電解質膜にプロトン導電性固体高分子膜を用い、この電解質膜を介して、アノード極とカソード極を接合し、アノード極側には燃料としてのメタノール水溶液を供給するための流路溝を有するアノード極側セパレータが設けられ、カソード極側には酸化剤ガスとしての空気を供給するための流路溝を有するカソード極側セパレータが設けられた構造を取り、アノード極にメタノール水溶液を供給し、カソード極に空気を供給すると、アノード極ではメタノールと水との酸化反応によって炭酸ガスが生成すると共に水素イオンと電子が放出され(CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-)、カソード極では電解質膜を通過してきた前記水素イオンと空気との還元反応によって水が生成して(6H++(3/2)O2+6e-→3H2O)、アノード極とカソード極を繋ぐ外部回路に電気エネルギーを得ることができる。従って、直接メタノール燃料電池の全反応は、メタノールと酸素から水と二酸化炭素が生成する反応である。 In such a direct methanol fuel cell, for example, a proton conductive solid polymer membrane is used as an electrolyte membrane, and an anode electrode and a cathode electrode are joined via the electrolyte membrane, and a methanol aqueous solution as a fuel is provided on the anode electrode side. An anode electrode side separator having a channel groove for supplying gas is provided, and a cathode electrode side separator having a channel groove for supplying air as an oxidant gas is provided on the cathode electrode side. When an aqueous methanol solution is supplied to the anode electrode and air is supplied to the cathode electrode, carbon dioxide gas is generated by the oxidation reaction of methanol and water at the anode electrode and hydrogen ions and electrons are released (CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e -) , the cathode electrode is water produced by the reduction reaction between the hydrogen ions and the air having passed through the electrolyte membrane ( H + + (3/2) O 2 + 6e - → 3H 2 O), it is possible to obtain electrical energy to an external circuit connecting the anode and cathode. Therefore, the total reaction of the direct methanol fuel cell is a reaction in which water and carbon dioxide are generated from methanol and oxygen.

電解質膜1はプロトン伝導性固体高分子膜であり、公知のプロトン伝導性ポリマーを用いることが出来る。プロトン伝導性ポリマーとしては、有機系の含フッ素高分子を骨格とするイオン交換樹脂、例えばパーフルオロカーボンスルフォン酸樹脂等が挙げられる。ナフィオン112(商品名、デュポン社製)、ナフィオン117(商品名、デュポン社製)やDOW膜(商品名、ダウ・ケミカル社製)等として入手出来る。   The electrolyte membrane 1 is a proton conductive solid polymer membrane, and a known proton conductive polymer can be used. Examples of the proton conductive polymer include ion exchange resins having an organic fluorine-containing polymer as a skeleton, such as perfluorocarbon sulfonic acid resins. It can be obtained as Nafion 112 (trade name, manufactured by DuPont), Nafion 117 (trade name, manufactured by DuPont) or DOW membrane (trade name, manufactured by Dow Chemical).

その他にスルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等のスルホン化プラスチック系電解質、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルケトン、スルホアルキル化ポリエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリスルホン、スルホアルキル化ポリスルフィド、スルホアルキル化ポリフェニレン等のスルホアルキル化プラスチック系電解質等が有る。なお、これらの電解質材料のスルホン酸当量としては0.5〜2.0ミリ当量/g乾燥樹脂程度、好ましくは0.7〜1.6ミリ当量/g乾燥樹脂である。スルホン酸当量が0.5ミリ当量/g乾燥樹脂より小さい場合はイオン伝導抵抗が大きくなり、2.0ミリ当量/g乾燥樹脂より大きい場合には水に溶解しやすくなる。   In addition, sulfonated polyether ketone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polyetherethersulfone, sulfonated polysulfone, sulfonated polysulfide, sulfonated polyphenylene and other sulfonated plastic electrolytes, sulfoalkylated polyetheretherketone, sulfoalkyl There are sulfoalkylated plastic electrolytes such as sulfonated polyethersulfone, sulfoalkylated polyetherethersulfone, sulfoalkylated polysulfone, sulfoalkylated polysulfide, and sulfoalkylated polyphenylene. The sulfonic acid equivalent of these electrolyte materials is about 0.5 to 2.0 meq / g dry resin, preferably 0.7 to 1.6 meq / g dry resin. When the sulfonic acid equivalent is less than 0.5 meq / g dry resin, the ionic conduction resistance is increased, and when it is greater than 2.0 meq / g dry resin, it is easily dissolved in water.

又、フッ素系電解質材料として、例えば、
一般式 CF2=CF−(OCF2CFX)m−Oq−(CF2)n−A
(式中、m=0〜3、n=0〜12、q=0又は1、X=F又はCF3、A=スルホン酸型官能基)で表されるフロロビニル化合物とテトラフロロエチレン、ヘキサフロロプロピレン、クロロトリフロロエチレン又はパーフロロアルキルビニルエーテルの如きパーフロロオレフィンとの共重合体が挙げられる。フロロビニル化合物の好ましい例としては、例えば、CF2=CFO(CF2)aSO2F、CF2=CFOCF2CF(CF3)O(CF2)aSO2F、CF2=CF(CF2)bSO2F、CF2=CF(OCF2CF(CF3))cO(CF22SO2F(ここに、a=1〜8、b=0〜8、c=1〜5の整数)を用いることも出来る。
Moreover, as a fluorine-type electrolyte material, for example,
Formula CF 2 = CF- (OCF 2 CFX ) m-Oq- (CF 2) n-A
(Wherein, m = 0 to 3, n = 0 to 12, q = 0 or 1, X = F or CF 3 , A = sulfonic acid type functional group), tetrafluoroethylene, hexafluoro And copolymers with perfluoroolefins such as propylene, chlorotrifluoroethylene or perfluoroalkyl vinyl ether. Preferred examples of Furorobiniru compounds, for example, CF 2 = CFO (CF 2 ) aSO 2 F, CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3) O (CF 2) aSO 2 F, CF 2 = CF (CF 2) bSO 2 F, CF 2 = CF (OCF 2 CF (CF 3 )) cO (CF 2 ) 2 SO 2 F (where a = 1 to 8, b = 0 to 8, c = 1 to 5) It can also be used.

電解質膜と前述の方法で作製した本発明の焼成物を含有する電極とを接合して製造する方法としては、以下の方法が挙げられる。   Examples of the method for joining and manufacturing the electrolyte membrane and the electrode containing the fired product of the present invention produced by the method described above include the following methods.

イ.粒子状の焼成物または焼成物を粉砕した粒子を板状に成型した後、空孔部の全体あるいは電解質膜に接する近傍に触媒を担持させた後、電解質膜とホットプレスして一体化する方法。   I. A method in which a particulate baked product or particles obtained by pulverizing the baked product are molded into a plate shape, and then the catalyst is supported on the whole pores or in the vicinity of contacting the electrolyte membrane, and then integrated by hot pressing with the electrolyte membrane. .

ロ.板状に成型した後、焼成した焼成物の空孔部の全体あるいは電解質膜に接する近傍に触媒を担持させた後、電解質膜とホットプレスして一体化する方法。   B. A method in which a catalyst is supported on the whole pore portion of the fired fired product or in the vicinity of the electrolyte membrane after being molded into a plate shape, and then hot-pressed and integrated with the electrolyte membrane.

ハ.長繊維状に成型し、織り込んでクロスとした後、焼成した焼成物に、触媒を担持させた後、電解質膜とホットプレスして一体化する方法。   C. A method of forming a long fiber, weaving it into a cloth, and then supporting the catalyst on the fired fired product, and then hot-pressing it with the electrolyte membrane for integration.

ホ.白金触媒を担持したカーボン粒子を拡散層となる本発明の板状またはクロス状の焼成物に塗布し、熱処理して触媒層を形成して電極を形成後、電解質膜とホットプレスして一体化するか、あるいは、触媒層のペーストを電解質膜へ塗布した後、拡散層となる本発明の板状またはクロス状の焼成物とホットプレスして一体化する方法。   E. The carbon particles carrying the platinum catalyst are applied to the plate-like or cloth-like fired product of the present invention, which becomes the diffusion layer, heat-treated to form the catalyst layer to form the electrode, and then hot-pressed with the electrolyte membrane for integration Alternatively, after the paste of the catalyst layer is applied to the electrolyte membrane, it is integrated by hot pressing with the plate-shaped or cloth-shaped fired product of the present invention that becomes the diffusion layer.

特に、イ〜ハにおける方法は、別途に拡散層を設ける必要がないので、部品点数を減らすことができるので好ましい。   In particular, the methods in (i) to (c) are preferable because it is not necessary to separately provide a diffusion layer and the number of parts can be reduced.

以上の様にして作製した電解質膜と電極との接合体の外側に、燃料流路と酸化剤流路を形成する溝が形成された燃料配流板(アノード極セパレータ)と、酸化剤配流板(カソード極セパレータ)とを配したものを単セルとし、この単セルを複数個、冷却板等を介して積層することにより、燃料電池が構成される。   A fuel distribution plate (anode electrode separator) in which grooves for forming a fuel flow path and an oxidant flow path are formed outside the assembly of the electrolyte membrane and the electrode produced as described above, and an oxidant flow distribution plate ( A fuel cell is formed by stacking a plurality of single cells via a cooling plate or the like.

実施例により、本発明に係る燃料電池用電極及びそれを用いた燃料電池について、さらに詳細に説明する。しかしながら、本発明は、かかる実施例に制限されるものでないことはいうまでもない。   The fuel cell electrode and the fuel cell using the same according to the present invention will be described in more detail by way of examples. However, it goes without saying that the present invention is not limited to such examples.

なお、以下に示す高分子の残渣量は、窒素雰囲気下における熱質量分析法(以下TGA)で測定した。昇温速度10℃/分で900℃まで測定し、800℃における残渣量を読み取る。また試料は一度空気中100℃で60分加熱処理を行ったものを用いた。   In addition, the amount of polymer residues shown below was measured by thermal mass spectrometry (hereinafter referred to as TGA) in a nitrogen atmosphere. Measure to 900 ° C. at a heating rate of 10 ° C./min, and read the amount of residue at 800 ° C. The sample used was once heat-treated in air at 100 ° C. for 60 minutes.

〔焼成物の作製1〕
800℃の残渣45質量%を示したレゾール型フェノールレジン(PRー51107、住友ベークライト(株))50gにケッチェンブラックEC600JD(ケッチェンブラックインターナショナル(株))20gを添加してセラミック製三本ロール上で30分混練後トルエンスルフォン酸2gを添加して1分間の混練り後80℃のホットプレート上に移し約1mmの厚みに成型しながら硬化させる。硬化物を10cm四方に切り出し、BN(窒化硼素)を主成分とする離型剤を塗布した1辺15cm厚み1cmの正方形の炭素板2枚にはさみ、電気炉の中に設置した。窒素雰囲気下5℃/分で1300℃まで昇温後1時間保持した。室温まで24時間かけて冷却してから炭素板を取り出し、注意深くその中から試料を取り出した。体積固有抵抗を測定したところ、0.01Ωcmの極めて導電性の高い多孔質の炭化物ができていた。この炭化物を一辺5cmの正方形に切りそろえ窒素をキャリアとした水蒸気で1時間賦活処理し、活性炭化物を得た。同様に体積固有抵抗を測定したが、0.01Ωcmと高い導電性を維持していた。
[Fabrication 1]
A ceramic three roll by adding 20 g of Ketjen Black EC600JD (Ketjen Black International Co., Ltd.) to 50 g of a resol type phenol resin (PR-51107, Sumitomo Bakelite Co., Ltd.) showing a residue of 45% by mass at 800 ° C. After kneading for 30 minutes, 2 g of toluenesulfonic acid is added, kneaded for 1 minute, transferred onto a hot plate at 80 ° C. and cured while being molded to a thickness of about 1 mm. The cured product was cut into a 10 cm square, sandwiched between two square carbon plates with a side of 15 cm and a thickness of 1 cm, to which a release agent mainly composed of BN (boron nitride) was applied, and was placed in an electric furnace. The temperature was raised to 1300 ° C. at 5 ° C./min in a nitrogen atmosphere and held for 1 hour. After cooling to room temperature over 24 hours, the carbon plate was taken out and a sample was carefully taken out of it. When the volume resistivity was measured, a highly conductive porous carbide of 0.01 Ωcm was formed. This carbide was cut into a square with a side of 5 cm and activated with steam using nitrogen as a carrier for 1 hour to obtain an activated carbide. Similarly, the volume resistivity was measured, and the high conductivity of 0.01 Ωcm was maintained.

〔焼成物の作製2〕
焼成物の作製1で用いたレゾール型フェノールレジン(PRー51107、住友ベークライト(株))40gにポリビニルブチラール300(和光純薬工業株式会社製、TGAで残渣量を求めたところ6質量%であった。)20g、ケッチェンブラックEC600JD(ケッチェンブラックインターナショナル(株))20gを添加してセラミック製三本ロール上で30分混練後トルエンスルフォン酸2gを添加して1分間の混練り後80℃のホットプレート上に移し約1mmの厚みに成型しながら硬化させる。硬化物を10cm四方に切り出し、BN(窒化硼素)を主成分とする離型剤を塗布した1辺15cm厚み1cmの正方形の炭素板にのせ、その上に炭素繊維でできた20cm角の織物を5枚軽くかぶせる。窒素雰囲気下5℃/分で1300℃まで昇温後1時間保持した。室温まで24時間かけて冷却後注意深く炭化物を取り出した。体積固有抵抗を測定したところ、0.01Ωcmの極めて導電性の高い多孔質の炭素板であった。この炭化物を一辺5cmの正方形に切りそろえ窒素をキャリアとした水蒸気で1時間賦活処理したところ、活性炭化物を得た。同様に体積固有抵抗を測定したが、0.01Ωcmと高い導電性を維持していた。
[Production of fired product 2]
Residue type phenolic resin (PR-51107, Sumitomo Bakelite Co., Ltd.) 40 g used in Preparation 1 of the fired product was found to have a residue of 6% by weight when polyvinyl butyral 300 (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., TGA) was used. 20 g, 20 g of Ketjen Black EC600JD (Ketjen Black International Co., Ltd.) was added and kneaded on a ceramic three roll for 30 minutes, 2 g of toluenesulfonic acid was added and kneaded for 1 minute at 80 ° C. And is cured while being molded to a thickness of about 1 mm. Cut the cured product into a 10cm square and place it on a square carbon plate with a side of 15cm and a thickness of 1cm to which a release agent composed mainly of BN (boron nitride) is applied. Lightly cover 5 sheets. The temperature was raised to 1300 ° C. at 5 ° C./min in a nitrogen atmosphere and held for 1 hour. The carbide was carefully removed after cooling to room temperature over 24 hours. When the volume resistivity was measured, it was a highly conductive porous carbon plate of 0.01 Ωcm. When this carbide was cut into a square with a side of 5 cm and activated with steam using nitrogen as a carrier for 1 hour, an activated carbide was obtained. Similarly, the volume resistivity was measured, and the high conductivity of 0.01 Ωcm was maintained.

〔焼成物の作製3〕
フェノール1.2kg、50%ホルマリン0.6kg、蓚酸3.5gを3リットルのフラスコに仕込み、還流温度で4時間反応させた後、さらに加熱下で真空脱水濃縮を行い軟化点110℃の未硬化ノボラック樹脂1kgを得た。残渣量を求めたところ、42質量%であった。一方、ケッチェンブラックEC600JD(ケッチェンブラックインターナショナル(株))50g、ポリビニルブチラール300(和光純薬工業株式会社製)200gと前記未硬化ノボラック樹脂200gとを加熱溶融させ、混合攪拌して未硬化ノボラック樹脂混合物を得た。この未硬化ノボラック樹脂混合物を孔数20、孔径0.2mmφの紡糸口金を用いて260m/分の速度で溶融紡糸を行い、未硬化ノボラック樹脂混合物繊維を得た。このノボラック樹脂繊維をホルムアルデヒドと塩酸を主成分とした硬化水溶液中に浸漬し、0.5℃/分の速度で95℃まで昇温後、8時間保持して硬化ノボラック樹脂繊維を得た。この繊維を用いて10cm四方の織物を作製後、カーボンクロスに包み、窒素気流中、5℃/minの速度で1300℃まで昇温し、1300℃で30分保持し、多孔質の炭素織物を得た。この炭素織物を電気炉に入れ、窒素をキャリアとした水蒸気で1時間賦活処理し、活性炭素織物を得た。表面比抵抗を測定したところ0.03Ωcmと高い導電性を示した。
[Preparation of fired product 3]
After charging 1.2 kg of phenol, 0.6 kg of 50% formalin and 3.5 g of oxalic acid into a 3 liter flask and reacting for 4 hours at the reflux temperature, vacuum dehydration concentration was further performed under heating, and an uncured softening point of 110 ° C. 1 kg of novolak resin was obtained. When the amount of residue was calculated | required, it was 42 mass%. On the other hand, 50 g of Ketjen Black EC600JD (Ketjen Black International Co., Ltd.), 200 g of polyvinyl butyral 300 (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and 200 g of the uncured novolak resin were heated and melted, mixed and stirred, and uncured novolak. A resin mixture was obtained. This uncured novolac resin mixture was melt-spun at a speed of 260 m / min using a spinneret having 20 holes and a hole diameter of 0.2 mmφ to obtain uncured novolac resin mixture fibers. This novolak resin fiber was immersed in a hardening aqueous solution mainly composed of formaldehyde and hydrochloric acid, heated to 95 ° C. at a rate of 0.5 ° C./min, and held for 8 hours to obtain a hardening novolak resin fiber. Using this fiber, a 10 cm square woven fabric was prepared, wrapped in carbon cloth, heated to 1300 ° C. at a rate of 5 ° C./min in a nitrogen stream, held at 1300 ° C. for 30 minutes, and a porous carbon woven fabric was formed. Obtained. This carbon woven fabric was put into an electric furnace and activated with steam using nitrogen as a carrier for 1 hour to obtain an activated carbon woven fabric. When the surface specific resistance was measured, it showed high conductivity of 0.03 Ωcm.

〔焼成物の作製4〕
ケッチェンブラックEC600JD(ケッチェンブラックインターナショナル(株))50g、ポリビニルブチラール300(和光純薬工業株式会社製)200gと焼成物の作製3で合成した未硬化ノボラック樹脂200gとを加熱溶融させ、混合攪拌して未硬化ノボラック樹脂混合物を得た。この未硬化ノボラック樹脂混合物を孔数20、孔径0.2mmφの紡糸口金を用いて260m/分の速度で溶融紡糸を行い、未硬化ノボラック樹脂混合物繊維を得た。このノボラック樹脂繊維を長さ約1mmで断裁した後、ホルムアルデヒドと塩酸を主成分とした硬化水溶液中に浸漬し、0.5℃/分の速度で95℃まで昇温後、8時間保持して硬化ノボラック樹脂短繊維(繊維軸方向の長さAが1mm、繊維軸に垂直方向の長さBが0.2mmであり、A/Bが5)を得た。この短繊維をカーボン坩堝に入れ、窒素気流中、5℃/分の速度で1300℃まで昇温し、1300℃で30分保持し、多孔質の炭素短繊維を得た。
[Fabrication 4]
50 g of Ketjen Black EC600JD (Ketjen Black International Co., Ltd.), 200 g of polyvinyl butyral 300 (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and 200 g of the uncured novolac resin synthesized in Preparation 3 of the fired product were heated and melted and mixed and stirred. Thus, an uncured novolac resin mixture was obtained. This uncured novolac resin mixture was melt-spun at a speed of 260 m / min using a spinneret having 20 holes and a hole diameter of 0.2 mmφ to obtain uncured novolac resin mixture fibers. After cutting this novolac resin fiber to a length of about 1 mm, it is immersed in a hardening aqueous solution mainly composed of formaldehyde and hydrochloric acid, heated to 95 ° C. at a rate of 0.5 ° C./min, and held for 8 hours. Cured novolac resin short fibers (length A in the fiber axis direction was 1 mm, length B in the direction perpendicular to the fiber axis was 0.2 mm, and A / B was 5) were obtained. This short fiber was put into a carbon crucible, heated to 1300 ° C. at a rate of 5 ° C./min in a nitrogen stream, and held at 1300 ° C. for 30 minutes to obtain a porous carbon short fiber.

この炭素短繊維を電気炉に入れ、窒素をキャリアとした水蒸気で1時間賦活処理し、活性炭素短繊維を得た。炭素短繊維をプレス機で9.8×103(Pa)の圧力をかけ2cm角の平板を作製した。この表面比抵抗を測定したところ0.09Ωcmと高い導電性を示した。 This carbon short fiber was put into an electric furnace and activated with steam using nitrogen as a carrier for 1 hour to obtain an activated carbon short fiber. A carbon short fiber was pressed with a press to a pressure of 9.8 × 10 3 (Pa) to produce a 2 cm square flat plate. When this surface specific resistance was measured, it showed high conductivity of 0.09 Ωcm.

〔焼成物の作製5〕
ケッチェンブラックEC600JD(ケッチェンブラックインターナショナル(株))50g、ポリビニルブチラール300(和光純薬工業株式会社製)200gと焼成物の作製3で合成した未硬化ノボラック樹脂200gとを加熱溶融させ、混合攪拌して未硬化ノボラック樹脂混合物を得た。この未硬化ノボラック樹脂混合物を孔数20、孔径0.2mmφの紡糸口金を用いて260m/minの速度で溶融紡糸を行い、未硬化ノボラック樹脂混合物繊維を得た。このノボラック樹脂繊維をホルムアルデヒドと塩酸を主成分とした硬化水溶液中に浸漬し、0.5℃/minの速度で95℃まで昇温後、8時間保持して硬化ノボラック樹脂繊維を得た。窒素気流中でこの繊維を最高温度が100℃のゾーン50cm、最高温度400℃のゾーンが50cm、最高温度600℃のゾーンが20cm、最高温度800℃のゾーンが10cm、最高温度1000℃のゾーンが10cm、最高温度1300℃のゾーンが40cmの長尺電気炉に1cm/分の速度で0.4Nの荷重をかけながら延伸し、炭素棒に巻き取りながら熱処理を行った。炭素棒に巻き取った多孔質の繊維で織物を作成し、5cm四方に切りそろえ、それを電気炉に入れ、窒素をキャリアとした水蒸気で1時間賦活処理し、活性炭素織物を得た。表面比抵抗を測定したところ0.02Ωcmと高い導電性を示した。
[Preparation of fired product 5]
50 g of Ketjen Black EC600JD (Ketjen Black International Co., Ltd.), 200 g of polyvinyl butyral 300 (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and 200 g of the uncured novolac resin synthesized in Preparation 3 of the fired product were heated and melted and mixed and stirred. Thus, an uncured novolac resin mixture was obtained. This uncured novolac resin mixture was melt-spun at a speed of 260 m / min using a spinneret having 20 holes and a hole diameter of 0.2 mmφ to obtain uncured novolac resin mixture fibers. This novolak resin fiber was immersed in a cured aqueous solution mainly composed of formaldehyde and hydrochloric acid, heated to 95 ° C. at a rate of 0.5 ° C./min, and held for 8 hours to obtain a cured novolac resin fiber. In a nitrogen stream, the fiber is zoned with a maximum temperature of 100 ° C., a zone with a maximum temperature of 400 ° C., a zone with a maximum temperature of 600 ° C., a zone with a maximum temperature of 600 ° C., 20 cm, a zone with a maximum temperature of 800 ° C. A long electric furnace with a zone of 10 cm and a maximum temperature of 1300 ° C. was stretched while applying a load of 0.4 N at a speed of 1 cm / min to a long electric furnace, and was heat-treated while being wound around a carbon rod. A woven fabric was made of porous fibers wound around a carbon rod, cut into 5 cm squares, placed in an electric furnace, and activated with steam using nitrogen as a carrier for 1 hour to obtain an activated carbon woven fabric. When the surface specific resistance was measured, it showed high conductivity of 0.02 Ωcm.

〔電極と固体電解質膜接合体の作製〕
(実施例1)
イ.酸化処理
5M過酸化水素溶液に焼成物の作製3で作製した活性炭素織物を入れて約80℃で約2時間超音波処理する。次いで、前記活性炭素織物を純水で洗滌して再び0.1M過酸化水素溶液に入れて約40℃で約30分間超音波処理する。次いで、前記活性炭素織物を純水で洗浄した後、約30℃の純水で約10分間超音波洗浄する。前記洗浄溶液のpHを測定した後pHが中性になるまで超音波洗浄を繰り返す。
[Production of electrode and solid electrolyte membrane assembly]
Example 1
I. Oxidation treatment The activated carbon fabric prepared in Preparation 3 of the fired product is placed in a 5M hydrogen peroxide solution and sonicated at about 80 ° C. for about 2 hours. Next, the activated carbon fabric is washed with pure water, placed again in a 0.1 M hydrogen peroxide solution, and sonicated at about 40 ° C. for about 30 minutes. Next, the activated carbon fabric is washed with pure water and then ultrasonically washed with pure water at about 30 ° C. for about 10 minutes. After measuring the pH of the cleaning solution, ultrasonic cleaning is repeated until the pH becomes neutral.

ロ.カソード極用の白金電極の作製
酸化処理した活性炭素織物を、相対電極を備えた電解槽に位置させる。次いで、約1体積%の0.1MのHCl及び約0.5体積%のエタノールが添加された0.02MのH2PtCl6溶液からなる白金電解析出溶液を前記活性炭素織物の一面と接触するように前記電解槽に導入する。次いで、基準電極(SCE)対比−0.5乃至0.0Vの電位領域で四角パルス電位を前記電解析出溶液に印加して0.1乃至10C/cm2の総電荷を流すことにより、前記活性炭素織物に白金触媒を析出させる。次いで、前記活性炭素織物を純粋な水で充分洗浄した後、熱処理してカソード極を作製した。
B. Preparation of platinum electrode for cathode electrode An activated carbon fabric subjected to oxidation treatment is placed in an electrolytic cell equipped with a relative electrode. Next, a platinum electrodeposition solution consisting of a 0.02M H 2 PtCl 6 solution to which about 1% by volume of 0.1M HCl and about 0.5% by volume of ethanol are added is contacted with one side of the activated carbon fabric. Introducing into the electrolytic cell. Next, by applying a square pulse potential to the electrolytic deposition solution in a potential region of -0.5 to 0.0 V relative to the reference electrode (SCE), a total charge of 0.1 to 10 C / cm 2 is allowed to flow. A platinum catalyst is deposited on the activated carbon fabric. Next, the activated carbon fabric was thoroughly washed with pure water and then heat-treated to produce a cathode electrode.

ハ.アノード極用の白金/ルテニウム電極の作製
酸化処理した活性炭素織物を、相対電極を備えた電解槽に位置させる。次いで、約5体積%の0.1MのHCl及び約2体積%のエタノールが添加されて0.05MのH2PtCl6溶液及び0.05MのRuCl3溶液からなる白金/ルテニウム電解析出溶液を前記活性炭素織物の一面と接触するように前記電解槽に導入する。次いで、基準電極(SCE)対比−0.5乃至0.3Vの電位領域でパルス電位を前記電解析出溶液に印加して0.1乃至10C/cm2の総電荷を流すことにより、前記活性炭素織物に白金/ルテニウム触媒を析出させる。次いで、前記活性炭素織物を純粋な水で充分洗浄した後熱処理してアノード極を作製した。
C. Preparation of platinum / ruthenium electrode for anode electrode An oxidized activated carbon fabric is placed in an electrolytic cell equipped with a relative electrode. A platinum / ruthenium electrodeposition solution comprising 0.05M H 2 PtCl 6 solution and 0.05M RuCl 3 solution is then added with about 5% by volume 0.1M HCl and about 2% by volume ethanol. It introduce | transduces into the said electrolytic vessel so that it may contact with one surface of the said activated carbon fabric. Next, a pulse potential is applied to the electrolytic deposition solution in a potential region of −0.5 to 0.3 V relative to a reference electrode (SCE), and a total charge of 0.1 to 10 C / cm 2 is allowed to flow, thereby causing the activity. Deposit platinum / ruthenium catalyst on the carbon fabric. Next, the activated carbon fabric was thoroughly washed with pure water and then heat-treated to produce an anode electrode.

ニ.電極と固体電解質膜接合体の組み立て
ロ、ハで作成した電極を、デュポン社製固体電解質膜ナフィオン112の両面に温度130℃、圧力が9.8×105(Pa)でホットプレスして電極−固体電解質膜接合体を作製した。
D. Assembly of electrode and solid electrolyte membrane assembly The electrodes prepared in (b) and (c) were hot-pressed on both surfaces of DuPont solid electrolyte membrane Nafion 112 at a temperature of 130 ° C. and a pressure of 9.8 × 10 5 (Pa). -A solid electrolyte membrane assembly was prepared.

(実施例2)
5M過酸化水素溶液に焼成物の作製4で作製した炭素短繊維を入れて約80℃で約2時間超音波処理する。次いで、前記炭素短繊維をブフナーロート上において純水で洗浄後、再び0.1M過酸化水素溶液に入れて約40℃で約30分間超音波処理する。次いで、同様にブフナーロート上において純水で十分に洗浄する。洗浄溶液のpHを測定した後pHが中性になるまで洗浄を繰り返す。
(Example 2)
The short carbon fiber prepared in Preparation 4 of the fired product is put in a 5M hydrogen peroxide solution and subjected to ultrasonic treatment at about 80 ° C. for about 2 hours. Next, the carbon short fibers are washed with pure water on a Buchner funnel, and again placed in a 0.1 M hydrogen peroxide solution and subjected to ultrasonic treatment at about 40 ° C. for about 30 minutes. Next, similarly, it is sufficiently washed with pure water on the Buchner funnel. After measuring the pH of the washing solution, washing is repeated until the pH becomes neutral.

酸化処理の終了した短繊維を未乾燥のまま濾紙に挟んで水切りを行う。3回水切りを行う間に軽くほぐしながら薄板に仕上げる。その後この短繊維でできた薄板をホットプレスに挟み込み、50℃の温度をかけながら4.9×106(Pa)まで30分間かけて昇圧する。2時間一定圧力で保持した後、9.8×106(Pa)まで一気に昇圧後ゆっくり減圧する。プレスが完了したらとりだすと、炭素の多孔質薄板ができる。この多孔質薄板を用いて、実施例1と同様にカソード極、アノード極を作製し、電極−固体電解質膜接合体を作製した。 The short fiber that has undergone the oxidation treatment is sandwiched between filter papers without being dried and drained. Finish it into a thin plate by lightly loosening it during 3 times draining. Thereafter, a thin plate made of this short fiber is sandwiched between hot presses, and the pressure is increased to 4.9 × 10 6 (Pa) over 30 minutes while applying a temperature of 50 ° C. After holding at a constant pressure for 2 hours, the pressure is increased to 9.8 × 10 6 (Pa) at a stretch and then slowly reduced. When the pressing is completed, a porous carbon thin plate is formed. Using this porous thin plate, a cathode electrode and an anode electrode were produced in the same manner as in Example 1 to produce an electrode-solid electrolyte membrane assembly.

(実施例3)
焼成物の作製1の炭素材料を用い、実施例1のカソード極用の白金電極の作製と同様にして白金電極を作製し、カソード極として用いた以外は、実施例1と同様にカソード極、アノード極を作製し、電極−固体電解質膜接合体を作製した。
(Example 3)
Preparation of fired product 1 The cathode electrode was prepared in the same manner as in Example 1 except that a platinum electrode was prepared in the same manner as in the preparation of the platinum electrode for the cathode electrode in Example 1 and used as the cathode electrode. An anode electrode was produced, and an electrode-solid electrolyte membrane assembly was produced.

(実施例4)
焼成物の作製2の炭素材料を用い、実施例1のカソード極用の白金電極の作製と同様にして白金電極を作製し、カソード極として用いた以外は、実施例1と同様にカソード極、アノード極を作製し、電極−固体電解質膜接合体を作製した。
Example 4
Preparation of the fired product 2 Using the carbon material of Example 2, a platinum electrode was prepared in the same manner as the preparation of the platinum electrode for the cathode of Example 1 and used as the cathode electrode. An anode electrode was produced, and an electrode-solid electrolyte membrane assembly was produced.

(実施例5)
焼成物の作製5の炭素材料を用い、実施例1のカソード極用の白金電極の作製と同様にして白金電極を作製し、カソード極として用いた以外は、実施例1と同様にカソード極、アノード極を作製し、電極−固体電解質膜接合体を作製した。
(Example 5)
Using the carbon material of Preparation 5 of the fired product, a platinum electrode was prepared in the same manner as the preparation of the platinum electrode for the cathode electrode of Example 1, and the cathode electrode, An anode electrode was produced, and an electrode-solid electrolyte membrane assembly was produced.

(比較例1)
イ.酸化処理
東レ製カーボンペーパーTGP−H−060(比抵抗:1Ωcm)を5M過酸化水素溶液に入れて約80℃で約2時間超音波処理する。次いで、純水洗浄して再び0.1Mの過酸化水素溶液に入れて約40℃で約30分間超音波処理する。さらに純水で洗浄した後、約30℃の純水で約10分間超音波洗浄する。pHが中性になるまで超音波洗浄を繰り返す。
(Comparative Example 1)
I. Oxidation treatment Carbon paper TGP-H-060 (specific resistance: 1 Ωcm) manufactured by Toray is placed in a 5M hydrogen peroxide solution and sonicated at about 80 ° C. for about 2 hours. Next, it is washed with pure water, and is again placed in a 0.1 M hydrogen peroxide solution and sonicated at about 40 ° C. for about 30 minutes. Further, after washing with pure water, ultrasonic washing is performed with pure water at about 30 ° C. for about 10 minutes. Repeat the ultrasonic cleaning until the pH is neutral.

ロ.カソード極用の白金電極の作製
デュポン社製ナフィオン溶液に、触媒担持カーボン(触媒;Pt、カーボン;Cabot社製VulcanXC−72R、白金担持量;50質量%)とイソプロパノールを加え、良く攪拌して触媒−ポリマ組成物を調製した。
B. Preparation of platinum electrode for cathode electrode To a Nafion solution manufactured by DuPont, a catalyst-supported carbon (catalyst; Pt, carbon; Vulcan XC-72R manufactured by Cabot, platinum-supported amount: 50% by mass) and isopropanol are added, and the catalyst is stirred well. -A polymer composition was prepared.

酸化処理した東レ製カーボンペーパーTGP−H−060を拡散層として、この層の片面に前記触媒−ポリマ組成物を触媒層として塗布し、カソード極を作製した。   An oxidation-treated Toray carbon paper TGP-H-060 was used as a diffusion layer, and the catalyst-polymer composition was applied as a catalyst layer on one side of this layer to produce a cathode electrode.

ハ.アノード極用の白金/ルテニウム電極の作製
デュポン社製ナフィオン溶液に、触媒担持カーボン(触媒;PtとRu、カーボン;Cabot社製VulcanXC−72R、白金、ルテニウム担持量;50質量%)とイソプロパノールを加え、良く攪拌して触媒−ポリマ組成物を調製した。
C. Preparation of platinum / ruthenium electrode for anode electrode Catalyst-supported carbon (catalyst; Pt and Ru, carbon; Vulcan XC-72R, platinum and ruthenium supported amount: 50% by mass) and isopropanol added to DuPont Nafion solution The catalyst-polymer composition was prepared by stirring well.

酸化処理した東レ製カーボンペーパーTGP−H−060を拡散層として、この層の片面に前記触媒−ポリマ組成物を触媒層として塗布してカソード極を作製した。   A cathode electrode was produced by applying the oxidized Toray carbon paper TGP-H-060 as a diffusion layer and applying the catalyst-polymer composition as a catalyst layer on one side of this layer.

ニ.電極−固体電解質膜接合体の組み立て
ロ、ハで作成した電極を、デュポン社製固体電解質膜ナフィオン112の両面に温度130℃、圧力が9.8×105(Pa)でホットプレスして電極−固体電解質膜接合体を作製した。
D. Assembling the electrode-solid electrolyte membrane assembly The electrodes prepared in (b) and (c) were hot-pressed on both surfaces of a DuPont solid electrolyte membrane Nafion 112 at a temperature of 130 ° C. and a pressure of 9.8 × 10 5 (Pa). -A solid electrolyte membrane assembly was prepared.

〔電池評価と結果〕
以上で作製した実施例及び比較例の電解質膜と電極の接合体を燃料流路が形成されたチタン製のアノード極側セパレータ及びガス流路が形成されたチタン製のカソード極側セパレータで挟み、直接メタノール燃料電池単セルを作製し、電流−電圧特性を測定した。
[Battery evaluation and results]
The assembly of the electrolyte membrane and electrode of the example and the comparative example prepared above was sandwiched between a titanium anode electrode side separator in which a fuel channel was formed and a titanium cathode electrode side separator in which a gas channel was formed, A direct methanol fuel cell single cell was prepared and current-voltage characteristics were measured.

なお、アノード極側およびカソード極側のセパレータに外部出力端子を取り付けて、燃料電池の出力を取り出せるようにした。   In addition, an external output terminal was attached to the separator on the anode electrode side and cathode electrode side so that the output of the fuel cell could be taken out.

上記で作製した燃料電池を用い、大気圧下での2モルのメタノール水溶液を燃料流速30ml/分で燃料流路に流し、酸化剤ガスとして1atmの空気を100ml/分でガス流路に流して、80℃で発電を行ない、電流−電圧特性を測定した。代表値として、500Ωと1kΩの抵抗を接続した電流値で、運転初期と運転10時間後と運転1週間後の出力を評価した。   Using the fuel cell prepared above, a 2 molar aqueous methanol solution at atmospheric pressure was caused to flow through the fuel flow path at a fuel flow rate of 30 ml / min, and 1 atm air as an oxidant gas was flowed through the gas flow path at 100 ml / min. Then, power generation was performed at 80 ° C., and current-voltage characteristics were measured. As a representative value, the output at the initial stage of operation, after 10 hours of operation, and after 1 week of operation was evaluated with a current value obtained by connecting resistors of 500Ω and 1 kΩ.

結果を表1に示す   The results are shown in Table 1.

Figure 2006244950
Figure 2006244950

これより、運転10時間後と1週間後の出力を見ると、本発明の電解質膜と電極の接合体を用いた場合の電流値が、比較例のそれよりも良好であり、安定した高出力を長時間にわたって得られていることがわかる。   From this, when looking at the output after 10 hours and 1 week after operation, the current value in the case of using the assembly of the electrolyte membrane and the electrode of the present invention is better than that of the comparative example, and the stable high output It can be seen that is obtained over a long period of time.

本発明に係る燃料電池の単セルIを示す模式図である。1 is a schematic view showing a single cell I of a fuel cell according to the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

I 燃料電池の単セル
1 電解質膜
2 アノード極側触媒層
3 カソード極側触媒層
4 アノード極側拡散層
5 カソード極側拡散層
6 アノード極側セパレータ
7 カソード極側セパレータ
8 燃料流路
9 酸化剤流路
I Fuel cell single cell 1 Electrolyte membrane 2 Anode electrode side catalyst layer 3 Cathode electrode side catalyst layer 4 Anode electrode side diffusion layer 5 Cathode electrode side diffusion layer 6 Anode electrode side separator 7 Cathode electrode side separator 8 Fuel flow path 9 Oxidizing agent Flow path

Claims (9)

難黒鉛化炭素を生成する高分子と易黒鉛化炭素の混合物を不活性雰囲気下において800℃以上の温度で焼成することにより得られる焼成物を含有することを特徴とする燃料電池用電極。 An electrode for a fuel cell, comprising a fired product obtained by firing a mixture of a polymer that forms non-graphitizable carbon and easily graphitizable carbon at a temperature of 800 ° C. or higher in an inert atmosphere. 前記難黒鉛化炭素を生成する高分子が、窒素雰囲気下で800℃で焼成することにより20質量%以上90質量%未満の残渣を生成する高分子と、窒素雰囲気下で800℃で焼成することにより0質量%以上20質量%未満の残渣を生成する高分子との混合物であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用電極。 The polymer generating the non-graphitizable carbon is baked at 800 ° C. in a nitrogen atmosphere with the polymer generating a residue of 20% by mass or more and less than 90% by mass by baking at 800 ° C. in a nitrogen atmosphere. 2. The fuel cell electrode according to claim 1, which is a mixture with a polymer that produces a residue of 0% by mass or more and less than 20% by mass. 前記混合物は、難黒鉛化炭素を生成する高分子に対して、易黒鉛化炭素を1質量%以上90質量%未満の割合で混合することにより得られた混合物であることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池用電極。 The mixture is a mixture obtained by mixing graphitizable carbon at a ratio of 1% by mass or more and less than 90% by mass with respect to a polymer that generates non-graphitizable carbon. 3. The fuel cell electrode according to 1 or 2. 前記混合物は成型されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の燃料電池用電極。 The fuel cell electrode according to any one of claims 1 to 3, wherein the mixture is molded. 前記混合物は、繊維形状に成型されていることを特徴とする請求項4に記載の燃料電池用電極。 The fuel cell electrode according to claim 4, wherein the mixture is molded into a fiber shape. 前記繊維形状は、繊維軸方向の長さAが1cm未満であり、かつ、繊維軸方向の長さAと繊維軸に垂直な方向の長さBとの比であるA/Bが2以上であることを特徴とする請求項5に記載の燃料電池用電極。 The fiber shape has a length A in the fiber axis direction of less than 1 cm, and A / B, which is a ratio of the length A in the fiber axis direction and the length B in the direction perpendicular to the fiber axis, is 2 or more. The electrode for a fuel cell according to claim 5, wherein the electrode is provided. 前記焼成物は、焼成後の工程で賦活処理されていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の燃料電池用電極。 The electrode for a fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein the fired product is activated in a step after firing. アノード極及びカソード極の少なくとも一方が、請求項1乃至7のいずれか1項に記載の燃料電池用電極を用いたことを特徴とする燃料電池。 8. A fuel cell using the fuel cell electrode according to claim 1 as at least one of an anode electrode and a cathode electrode. 前記燃料電池は、直接メタノール燃料電池であることを特徴とする請求項8に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 8, wherein the fuel cell is a direct methanol fuel cell.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2015146984A1 (en) * 2014-03-27 2015-10-01 日本バイリーン株式会社 Electroconductive porous body, solid polymer fuel cell, and method for manufacturing electroconductive porous body

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